限制域形状对分层火焰和燃烧不稳定性的影响

本文在中心分级燃烧室中研究限制域形状对火焰结构及燃烧不稳定性的影响。实验过程中,使用带有CH*滤镜的相机拍摄火焰图像,使用动态压力传感器测量压力脉动。结果表明,突扩限制域和斜坡限制域中的时均火焰结构相似。但突扩限制域中的火焰动态结构呈现出周期性变化,并伴随着压力振荡。而斜坡限制域中的火焰动态结构基本不变,且压力脉动接近于零,主要原因是斜坡限制域中的旋涡脱落过程受限,旋涡与火焰的相互作用被大幅削弱。通过改变主燃级通道流速调节延迟时间,发现突扩限制域中会出现压力振幅的周期性变化,而斜坡限制域中始终保持稳定燃烧。本文的研究表明使用斜坡限制域有潜力成为在宽工况范围内有效抑制燃烧不稳定的被动控制方法。     

基于全连接神经网络的分层旋流火焰燃烧振荡预报

燃气轮机贫油预混低排放燃烧室容易发生燃烧振荡,在宽工况极端条件下燃烧主动控制有潜力成为抑制燃烧振荡的有效方法。然而主动控制系统依赖于对燃烧振荡的快速监测和准确预报,因此有必要针对不同的燃烧振荡预报手段开展研究和验证。本文以甲烷预混同心分层旋流火焰的图像为基础,采用降低图像分辨率和提取火焰结构特征参数这两种不同的方式对火焰图像信息进行简化处理,并使用全连接神经网络对燃烧振荡进行预报研究。结果发现,两种方式都可以较为准确地预报燃烧振荡,精度均达到90%以上。预报精度随着图像分辨率的增加而升高,在极低的图像分辨率(3*3)下,预报精度也能达到90%以上。此外,对根据火焰平均图像提取的结构特征参数进行了敏感性分析,捕捉到了系统稳定性的转变,但参数变化范围受训练集限制。本文提出的基于数据驱动方法对燃烧振荡的预报时间小于2 ms,为实现燃烧振荡实时在线预报提供了支持。     

中心分级预混旋流火焰燃烧噪声的实验研究

针对中心分级旋流燃烧器中预混甲烷火焰在常温常压下的燃烧噪声进行了实验研究,主要关注实验工况和限制域结构对燃烧噪声的影响。用声级计测量了燃烧噪声声压级,用带有CH^*滤镜的单反相机拍摄火焰的平均图像。实验结果表明,在主、预燃级空气流量恒定时,总当量比与分层比对燃烧噪声产生了显著的影响,氢气掺入对燃烧噪声无明显影响;预燃级当量比对于燃烧噪声的产生起关键作用,预燃级当量比越接近1.00燃烧噪声越大;相同工况下,预燃级空气流量分配越多,产生的燃烧噪声越大。改变火焰限制域的结构,使用锥形火焰筒可以减少燃烧噪声的产生。本研究还结合带有CH^*滤镜的摄像机拍摄的火焰图像,初步分析了燃烧噪声与火焰宏观结构之间的对应关系。     

固体燃料冲压发动机自持燃烧的影响因素

采用试验和仿真方法,研究了固体燃料冲压发动机(SFRJ)自持燃烧的主要影响因素。研究结果表明:SFRJ内为典型的扩散火焰,化学反应特征时间与反应物停留特征时间的比值是影响发动机自持燃烧的关键参数,该值越小,扩散火焰越稳定;本文研究工况下,较小的后台阶高度即可保证发动机实现自持燃烧,后台阶稳定火焰的物理原因是在固体燃料表面附近形成一个低速区,保证了固体燃料的分解燃烧,当台阶高度为0时,由于化学反应特征时间与反应物停留特征时间的比值迅速增加,SFRJ无法自持燃烧;台阶高度较小时,点火过程会对SFRJ的稳定燃烧产生影响,SFRJ可能会出现熄火复燃现象。     

工况压力对分层火焰系统中压力振荡的影响

为了研究工况压力对分层火焰系统中压力振荡频率的影响,通过实验方法测量了不同工况压力下分层火焰燃烧系统中的压力振荡特性,通过基于火焰响应模型的理论分析方法研究了压力振荡频率变化的原因。实验测试结果表明,当进口压力降低从2.6MPa降低至1.4MPa时,压力振荡频率具有规律性的减小约4%;而相对振荡幅值保持在0.2～0.3范围内,没有明显的规律。火焰响应模型的计算结果显示,雾化过程对火焰的响应特性影响最大。     

旋流燃烧室构型对固体燃料冲压发动机自持燃烧性能影响

为研究燃烧室构型对引入旋流的固体燃料冲压发动机(SFRJ)燃烧特性的影响,通过改变药柱内径以改变相对台阶高度,利用高密度聚乙烯(HDPE)为固体燃料,对4种不同相对台阶高度的冲压发动机进行了旋流和直流连管实验,其中旋流工况的旋流数为0.6。利用Fortran语言编制CFD计算程序,对其中多个旋流工况进行了数值模拟,利用相关实验验证了计算程序的可靠性。仿真以及实验结果表明,在旋流工况下,相对台阶高度对火焰稳定以及燃烧特性有显著影响,当相对台阶高度为1.5时,旋流工况下发动机无法自持燃烧;在1.75相对台阶高度工况下,药柱表面热流密度与燃速均高于其他工况,且药柱平均燃速以及药柱表面热流密度会随相对台阶高度的升高而降低,最终趋于平缓;相对台阶高度的改变对特征速度与推力的作用不大,而在无旋工况下,特征速度和推力则随相对台阶高度的增加而增加。     

工况压力对分层火焰系统中压力振荡的影响（英文）

为了研究工况压力对分层火焰系统中压力振荡频率的影响,通过实验方法测量了不同工况压力下分层火焰燃烧系统中的压力振荡特性,通过基于火焰响应模型的理论分析方法研究了压力振荡频率变化的原因。实验测试结果表明,当进口压力降低从2.6MPa降低至1.4MPa时,压力振荡频率具有规律性的减小约4%;而相对振荡幅值保持在0.2~0.3范围内,没有明显的规律。火焰响应模型的计算结果显示,雾化过程对火焰的响应特性影响最大。     

离心条件下后台阶贫油熄火特性

利用气流通过弯管产生的离心效应来模拟高速旋转的工况,研究高位后台阶火焰稳定器的关键几何参数对液雾燃烧贫油熄火特性的影响.通过控制后台阶高度,台阶板长度,后台阶到上壁面的距离三个几何参数,考察它们对后台阶火焰稳定器贫油熄火特性的影响.试验得到的结果表明在离心条件下,后台阶高度和台阶板长度对贫油熄火特性的影响较大,随着后台...     

基于OH-PLIF技术的环形燃烧室预混火焰结构实验

针对微型燃气轮机环形燃烧室中的燃烧特性,利用平面激光诱导荧光(PLIF)技术,对环形燃烧室内甲烷/空气预混湍流多束火焰燃烧开展实验研究,得到OH自由基物质的量浓度分布,并研究雷诺数和当量比对火焰结构特征参数的影响。结果表明:OH自由基浓度分布呈现环形结构,并有火焰托举和分叉现象,OH-PLIF瞬时和平均图像揭示了火焰具有湍流和层流预混结构共同特征。火焰结构特征参数的定量分析表明,雷诺数升高,拉伸火焰预混锥形结构,促进射流之间相互作用;康达效应使内焰向内壁面弯曲,火焰张角增大;适当调节预混火焰的当量比,有利于火焰结构的稳定。      

超燃冲压发动机羟基/煤油-PLIF同步测量研究

应用一套500 Hz PLIF (Planar laser induced fluorescence)系统开展了煤油燃料超燃冲压发动机实验研究，实现了超燃冲压发动机燃烧室内火焰结构和煤油分布可视化测量。通过对OH-PLIF和煤油-PLIF同步测量方法分析，揭示了超燃冲压发动机煤油掺混燃烧振荡特性规律。利用PLIF图像的几何特征、强度特征和动态模态分解，分析了煤油掺混过程对火焰传播及燃烧特性的影响。研究表明，在煤油单独燃烧阶段，煤油主要分布在燃烧室上游。OH基受燃料分布的影响，在燃烧室内重复性地聚集和扩散，呈现破裂带状。动态模态分解结果表明，煤油掺混过程对燃烧振荡存在影响。     

介质阻挡体放电对甲烷扩散火焰CH*自发辐射影响实验研究

为分析非平衡等离子体对空气/甲烷扩散火焰的助燃效果,实验以发射中心谱线430nm的激发态自由基CH*表征火焰燃烧状态,采用同轴圆柱构型激励器在高频交流模式下激发等离子体,分析了火焰CH*自发辐射图像、火焰高度、CH*径向分布和燃烧释热速率等火焰特性在不同空气流量和当量比下随放电电压的变化规律。结果表明：等离子体激励在空气流量较低时,会显著增强火焰上游甲烷燃烧,从而降低CH*空间分布高度和火焰高度;空气流量增大后,有利于促进甲烷充分燃烧,增大火焰下游CH*辐射强度和分布范围。在火焰上游区域,等离子体气动效应可有效扩展甲烷径向分布,实现剪切层更宽范围燃烧,其活化效应会明显提高剪切层燃烧强度,并随电压增大作用效果逐渐增强。此外,等离子体激励会使燃烧器喷嘴出口附近火焰释热速率显著增大,该现象在空气-甲烷动量比较大时更容易发生。     

主燃级旋流数影响三级旋流燃烧室流动与燃烧特性试验

为了研究主燃级旋流数对三级旋流燃烧室内的流动、燃烧特性,设计了两种不同主燃级旋流数的旋流器,通过粒子图像测速仪(PIV)与火焰自发辐射手段得到了燃烧室的流场和火焰结构。研究结果表明:主燃级旋流数的改变对出口流动以及点熄火极限油气比影响较大,主燃级旋流数增加使回流涡心位置向中心和上游靠近,中心回流区高度增加,出口涡量强度降低,下游中心回流区内侧的回流速度,湍流强度增加,火焰结构对称,成功点火时间减少,主燃级旋流数为0.8的点火极限油气比较主燃级旋流数为0.7在进口流量为200、250、300、350 m3/h各工况对应增加了48%、41%、26%、24%,熄火极限油气比各工况均增加30%以上。燃烧时,火焰呈一定的“V”型张角向外燃烧。点火时,火焰沿着中心回流区边界向内侧发展。      

有机凝胶偏二甲肼液滴着火燃烧特性及影响因素实验研究

针对自燃推进剂接触就能着火燃烧的特点,设计实现了高压飞滴及常压挂滴两套单液滴燃烧实验系统,并开展了有机凝胶偏二甲肼（UDMH）液滴在四氧化二氮（NTO）氧化剂环境中着火燃烧的实验研究,深入分析了其着火燃烧特性及NTO氧化剂浓度、温度、压力、对流速度、液滴初始尺寸的影响。结果表明：有机凝胶UDMH液滴表面液体燃料耗尽后会形成弹性胶凝剂膜,促使液滴内部出现沸腾蒸发及非稳态蒸汽喷射,导致燃烧火焰出现剧烈扰动。NTO浓度升高,增大了扩散燃烧火焰范围,加速液滴表面燃料蒸汽分解燃烧,有利于提高燃烧速率。NTO温度越低,着火延迟时间越长,并容易导致熄火。NTO对流速度越大,也会增加着火延迟时间,且更容易形成脱体火焰,使其燃烧速率降低。凝胶液滴尺寸越大,其着火延迟时间受对流速度的影响明显减小。NTO压力升高会抑制燃料蒸汽喷射强度,形成更稳定且更靠近液滴表面的双火焰结构。     

脉冲放电等离子体控制火箭发动机高频燃烧不稳定性机理

为研究等离子体对火箭发动机高频燃烧不稳定性的影响,提出了一种基于脉冲激励准直流放电等离子体的控制方案,采用数值仿真方法研究了脉冲放电等离子体对燃烧室流场平均参数及动态特征的影响规律。结果表明:脉冲激励下燃烧室平均温度和压力都较定常激励下有所降低,对整个燃烧室的影响可以忽略。与定常激励相似,等离子体可以在一段时间内抑制高频压力振荡,而且在特定控制参数下其对不稳定燃烧的抑制效果优于定常激励方式;从功率谱密度分析可知脉冲激励下燃烧室压力振荡特征频率由燃烧室固有声学频率和脉冲激励频率两者共同决定,提高激励频率则特征频率幅值有所降低。脉冲激励方式与定常激励一样不改变燃烧室压力-释热耦合特征,但是通过降低释热率能够改变压力振荡幅值,进而实现对高频不稳定燃烧的抑制。在所研究工况中,激励频率为50 kHz、占空比为20%的脉冲控制参数下等离子体的抑制效果最佳。      

液体燃料在毛细管出口扩散火焰燃烧特性

为了解微尺度扩散火焰燃烧特性,选用液体燃料,进行燃烧实验,并利用理论模型对层流火焰高度进行了预估。结果表明:毛细管层流扩散火焰尺寸随燃料流量的增加而增大,水平方向当流量大于50μL/min时,由于燃料蒸发不完全,会有液滴喷出,火焰尺寸增长速度变小;竖直方向受浮力影响,火焰高度被拉长,远大于水平方向。火焰尺寸越大,振荡越剧烈,表现为振荡周期随流量的增加而减小,且竖直方向小于水平方向。燃料含碳量影响火焰特性,含碳量越多,火焰尺寸越大,火焰越明亮,振荡越剧烈。流量较大时,含碳量较多的煤油会向管口周围喷射燃料,形成剧烈振荡的不稳定火焰。竖直方向火焰高度与管口处燃料蒸汽雷诺数成正比,Roper模型预估结果与实验结果相近,可用于计算液体烃类燃料在竖直方向的层流扩散火焰高度。      

中热值合成气扩散燃烧速度特性的实验研究

针对CH4和中热值合成气的旋流燃烧室进行了PIV测量,获得了不同燃料燃烧对火焰流场变化的影响。实验结果表明：在相同入口条件下,合成气燃烧时的火焰张角略大,回流区宽度和回流强度均高于CH4火焰,燃气流量较低时,合成气火焰的湍流强度更大,燃气流量增大后,CH4的燃烧脉动速度逐渐增大并超过合成气。     

振荡燃烧过程的同步测量方法

振动燃烧是由非稳定燃烧放热和压力脉动互相耦合产生的系统振荡过程。振荡燃烧的研究方法之一是对自激振荡燃烧相互耦合过程进行研究,得到系统的闭环特性。另外还可以对燃烧系统施加特定的扰动以得到燃烧系统的开环特性。为了研究振荡燃烧的动态过程,需要实现不同物理量的同步测量。相同步方法能够实现压力脉动与燃烧放热率脉动的同步测量,确定二者间的周期变化关系。通过对两个不同振荡类型的实验台进行相同步测量,分析振荡燃烧过程中压力脉动与放热率脉动的相位关系,并讨论了相同步方法的误差,提出了不同实现方案。这些结果将有助于我们提高火焰测量的相同步技术的准确性。     

过渡型凹腔超声速燃烧流动振荡抑制方法

针对长深比为10.0的过渡型凹腔在隔离段入口马赫数为3.0条件下存在的冷流自激振荡现象,提出了一种凹腔内增加肋条抑制振荡的方案。通过试验和数值计算,对该方案抑制振荡的效果进行了检验,并分析了肋条增加前后燃烧室流场结构和燃烧性能的差别。研究发现：通过在凹腔内增加肋条能够消除过渡型凹腔冷流工况下存在的175.8 Hz的自激振荡,燃烧流场也更加稳定;增加肋条后凹腔的稳焰能力有所降低,部分在凹腔未完全燃烧的煤油进入扩张段后继续发生反应,从而使燃烧区向下游延伸、增大,发动机的燃烧效率和净推力分别降低5.4%和8.9%,但推力更加平稳;燃烧室一维平均热流密度峰值由2.9 MW/m²降低至1.8 MW/m²,燃烧室的热环境大幅改善。     

氢气引导乙烯火焰非定常燃烧过程

基于脉冲燃烧直连式试验台，开展了超燃冲压发动机氢气引导乙烯火焰的非定常燃烧过程研究。燃烧室入口条件为马赫数2、总温950 K和总压1.0 MPa。试验过程分为4个阶段：冷流、引导氢气单独燃烧、引导氢气点燃乙烯、乙烯单独燃烧。基于高频壁面压力测量和火焰荧光高速摄影，获得了代表性测点的压力时间曲线及燃烧室内火焰发展历程，提取了压力平均值、振荡幅度和频率、着火时间及反应位置等重要信息，分析了不同燃烧阶段的非定常特性。试验结果表明：在氢气单独燃烧阶段，非定常特性源于凹槽后斜坡区域氢气反应强度的变化。在氢气点燃乙烯阶段，非定常特性由氢气和乙烯火焰的“交接”引起。在乙烯单独燃烧阶段，非定常特性由燃烧和超声速流动之间的耦合引起。     

非稳态超声速燃烧研究进展

超燃冲压发动机内部的超声速燃烧过程已经得到了持续和广泛的研究。随着研究的不断深入,超声速燃烧基础研究的关注热点,也逐渐从以火焰稳定过程为代表的准稳态过程,转到了以燃烧振荡过程为代表的非稳态过程。目前,非稳态超声速燃烧及其调控已经成为超燃冲压发动机迈向真正实用化所必需解决的问题。本文以非稳态超声速燃烧作为研究对象,分别针对超燃冲压发动机燃烧室中的声学振荡、流动诱导的燃烧不稳定、点火过程、火焰闪回以及近吹熄极限的火焰不稳定这五个典型非稳态超声速燃烧过程进行了系统的综述,梳理了近年来关于非稳态超声速燃烧过程的研究进展,分析了非稳态超声速燃烧过程机理并给出了一些模型及调控方法。最后,为下一步开展非稳态超声速燃烧研究提出了建议。